Drahtgewickelte Widerstände von Ty-Ohm aus Taiwan:

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1 Drahtgewickelte Widerstände von Ty-Ohm aus Taiwan: Einschaltstrombegrenzende Widerstände zum Laden von DC-Link Kondensatoren Präzise, Schnell, Robust und Fail-Safe Wird ein elektrischer Antrieb oder ein Umrichter eingeschaltet, werden die auftretenden Einschaltstromspitzen durch einen ohmschen Widerstand begrenzt. Ohne einen solchen Widerstand könnte der Einschaltstrom die Eingangsstufe des Antriebs zerstören oder die Hauptsicherung auslösen. Zusätzlich zu dieser Schutzfunktion soll der Widerstand ein schonendes und gleichmäßiges Laden des Zwischenkreis-Kondensators gewährleisten. Einschaltstrombegrenzung mit NTC s, PTC s und drahtgewickelten Festwiderständen: Zur Begrenzung der Einschaltströme in Stromversorgungen mit einer Leistungsklasse bis ca. 100W werden häufig NTC s in Reihe zur Last verwendet. Dies ist jedoch keine Energieeffiziente Lösung. Zwar reduziert ein NTC im Betrieb aufgrund der auftretenden Eigenerwärmung seinen bei Raumtemperatur spezifizierten Nennwiderstand, jedoch beträgt der Widerstand im Temperaturbereich zwischen 60 C 100 C immer noch einige Ohm. Die daraus resultierende Verlustleistung nimmt mit zunehmender Geräte-Leistung zu. Je weniger sich ein NTC im Betrieb erwärmt, desto höher sind die parasitären Verluste. Außerdem empfiehlt sich eine Schaltung von NTC s in Reihe zur Last nicht für Applikationen, bei denen die Möglichkeit besteht, dass das Gerät nach einer längeren Zeit im Betrieb ausgeschaltet und dann spontan wieder eingeschaltet wird. Der NTC könnte sich bis zum Wiedereinschalten noch nicht ausreichend abgekühlt haben und daher die erneut auftretenden Stromspitzen nicht ausreichend begrenzen. Werden Temperaturabhängige Widerstände oder Festwiderstände in Reihe zur Last geschaltet, reduzieren diese grundsätzlich die Gesamtverluste des Geräts. Die Energie- Effizienteste Lösung für Geräte sämtlicher Leistungsklassen ist es, diesen Widerstand nach

2 dem Laden des DC-Link Kondensators mit einem Schaltelement (z.b. Relais, Triac) zu überbrücken. Inrush current limiter Switch D1 D3 Mains voltage D2 D4 C Abb.1 Bypass-Schaltung zur Überbrückung des Einschaltstrombegrenzenden Widerstands nach dem Laden des Kondensators. In diesen Bypass-Schaltungen wird als Einschaltstrombegrenzendes Bauelement häufig ein PTC (Kaltleiter) oder ein drahtgewickelter Festwiderstand eingesetzt. Einschaltstrombegrenzende Ladewiderstände Vergleich zwischen PTC s und drahtgewickelten Festwiderständen: Ein PTC ist ein temperaturabhängiger Widerstand, der mit zunehmender Temperatur seinen Widerstandswert erhöht. Im Gegensatz dazu ist drahtgewickelter Widerstand ein Festwiderstand und bietet für die Verwendung als Einschaltstrombegrenzender Ladewiderstand folgende Vorteile. - Aufgrund des Energie-Transfers beim Laden des DC-Link Kondensators erwärmt sich ein PTC und erhöht seinen bei 25 C spezifizierten Widerstandswert. Darüber hinaus unterliegt sein Widerstands-/Temperatur- Verhältnis einer Spannungsabhängigkeit. Daher ist es schwierig, den Ladestrom und die Ladezeit unter sämtlichen Einsatzbedingungen vorher zu bestimmen. Im Extremfall besteht ein Risiko, dass die DC-Link Kondensatoren nicht vollständig geladen werden. - Bei der Verwendung eines drahtgewickelten Festwiderstands lassen sich für sämtliche Betriebsbedingungen Ladestrom und Ladezeit exakt berechnen. Ein vollständiges Laden des DC-Link Kondensators ist immer gewährleistet. - Mit einem korrekt dimensionierten drahtgewickelten Festwiderstand ist es möglich, ein Einschalten des Geräts schneller als mit PTC s zu wiederholen und dennoch voll aufgeladene Kondensatoren zu gewährleisten. Die ausreichende Robustheit des drahtgewickelten Festwiderstands wird dazu in einem Test verifiziert, in dem der Kondensator über den Widerstand in einer definierten Zeit geladen wird. Danach wird

3 der Kondensator innerhalb einer definierten Wartezeit entladen. Diese Lade-/Entlade- Zyklen werden gemäß der geforderten Zyklen-Anzahl wiederholt. - Die Toleranz des Nenn-Widerstandwerts eines PTC s beträgt typischerweise -/+25%, die eines drahtgewickelten Widerstands hingegen nur -/+5%. Entsprechend ist bei drahtgewickelten Festwiderständen die Streuung des Widerstandswerts bei verschiedenen Produktionschargen wesentlich niedriger, der Ladestrom und die Ladezeit des Kondensators lassen sich deutlich enger eingrenzen. - In Applikationen, die bereits im Einschaltmoment eine hohe Umgebungstemperatur besitzen können (z.b. Umwälz-Pumpen für Warmwasser), kann die Verwendung von PTC s zu niedrigeren Ladeströmen und zu längeren Ladezeiten führen. - Ein drahtgewickelter Widerstand ist deutlich robuster gegen transiente Impulsbelastungen. - Im Fehlerfall (z.b. wenn das Schaltelement ausfällt oder der Kondensator in Kurzschluss geht) wird ein PTC stark hochohmig. Diese Funktion wird als Selbstschutz bezeichnet. Nach dem Abkühlen wird der PTC wieder niederohmig und kann weiter verwendet werden. Die Ursache für den Fehlerfall besteht jedoch weiterhin. - Ein drahtgewickelter Festwiderstand löst entsprechend seinem definierten Auslöse- Verhalten aus und wird stark hochohmig. Dies entspricht dem Selbstschutz-Verhalten eines PTC s. Ein einmal ausgelöster drahtgewickelter Festwiderstand trennt die elektronische Schaltung dauerhaft vom Netz. In der Folge ist es möglich, die Fehlerursache zu analysieren. - Bei DC-Link Kondensatoren mit einer hohen Kapazität werden mehrere Widerstands- Elemente kombiniert um die erforderliche Energie-Aufnahmefähigkeit zu realisieren. Wird in der Applikation die Rückstellbarkeit eines PTC s benötigt, kann ein PTC- Element mit mehreren drahtgewickelten Festwiderständen kombiniert werden. Durch diese Anordnung kann eine präzisere, schnellere und robustere Lösung erreicht werden als mit einer ausschließlichen Kombination von PTC-Elementen. Ty-Ohm s umfangreiche Produktpalette an drahtgewickelten Festwiderständen: Für die Verwendung als Einschaltstrombegrenzende Ladewiderstände bietet Ty-Ohm eine umfangreiche Produktpalette an drahtgewickelten Festwiderständen an: - Axial, Radial, SMD sowie im mit Zement gefüllten Keramikgehäuse. Sämtliche Versionen sind optional mit einem integrierten Übertemperaturschutz verfügbar. Die Widerstandswerte der Produktfamilie reichen von 0.1Ω bis 2 kω, die Nennleistung reicht von 1W bis 12W.

4 Für seine drahtgewickelten Festwiderstände unterscheidet Ty-Ohm ein Auslöseverhalten gemäß folgender Klassifizierung: - Auslöseverhalten Standard: Bei einer an den Widerstand angelegten Leistung, welche die Nennleistung des Widerstands um das 5- bis 16- fache übersteigt (abhängig von dem jeweiligen Bauteil), löst der Widerstand innerhalb einer Minute aus. Anmerkung: Wie der Widerstand auslöst, ist nicht genauer definiert. - Auslöseverhalten Fail-Safe I: Liegt im Fehlerfall die Netzspannung (90Vac 280Vac) für 5 Sekunden direkt am Widerstand an, löst der Widerstand aus und trennt die elektrische Schaltung sicher vom Netz. Ein Geräusch, eine Flammen- und Lichtbogen- Bildung oder eine Explosion sind ausgeschlossen. - Auslöseverhalten Fail-Safe II: Wie Auslöseverhalten I. Zusätzlich ist durch die Integration eines thermischen Übertemperaturschutzes in den Widerstand sichergestellt, dass im Fehlerfall die Temperatur des Widerstands nicht die spezifizierte Auslösetemperatur des thermischen Schutzes übersteigt. Das Fail-Safe Auslöseverhalten der drahtgewickleten Festwiderstände von Ty-Ohm Um zum Abschluss der Neuentwicklung einer elektrischen Schaltung ihre Betriebssicherheit zu verifizieren, wird häufig das individuelle Ausfallverhalten eines jeden verwendeten Bauteils simuliert und dieser Einfluss auf die Schaltung überprüft. Dies bedeutet, dass jedes verwendete Bauteil den Fehlerfällen Kurzschluss, hochohmiger Ausfall sowie Ausfall mit wenigen Ohm gegen Masse ausgesetzt wird. Auslöseverhalten Fail-Safe I: Ein Kurzschluss entspricht 0Ω und verursacht ein sauberes Auslösen des Widerstands gemäß dem Auslöseverhalten Fail-Safe I. Ein thermischer Übertemperaturschutz ist nicht nötig. Auslöseverhalten Fail-Safe II: Die Praxis erweist sich die Möglichkeit als relevant, dass elektronische Bauelemente nicht mit einem satten Kurzschluss oder hochohmig ausfallen, sondern dass sie im Ausfall eine niederohmige Verbindung gegen Masse herstellen. Ursachen für solch undefinierten Bauelemente-Ausfälle sind Temperatur, Feuchtigkeit, Alterung, transiente Überspannungen etc. Sämtliche Bauelemente in Reihe zum Einschaltstrombegrenzenden Widerstand können niederohmig ausfallen: - Kondensator, Brückengleichrichter, Pi-Filter, Spannunsgwandler, Schalttransistor, Regler IC.

5 Ein hochohmiger Ausfall einer dieser Bauelemente verursacht keine Sicherheitsprobleme für die elektrische Schaltung und trennt diese vom Netz. Jedoch ist ein niederohmiger Ausfall einer dieser Bauelemente in folgenden Fällen kritisch: - Der Einschaltstrombegrenzende drahtgewickelte Widerstand liegt in Reihe zur Last. - Das Schaltelement der Bypass-Schaltung fällt hochohmig aus und das Gerät schaltet nicht ab. In beiden Fällen führt ein niederohmiger Ausfall eines Bauelements in Reihe zum Widerstand dazu, dass sich die Netzspannung zwischen dem Widerstand und dem ausgefallenen Bauelement teilt. Die dann am Widerstand anliegende Spannung ist zu gering um den Widerstand gemäß dem Auslöseverhalten Fail-Safe I auszulösen. Der Widerstandsdraht erwärmt sich in der Folge zunehmend und stabilisiert sich bei einer Temperatur von mehreren hundert C. Diese Temperatur liegt unterhalb der Schmelztemperatur des Widerstandsdrahts. Diese konstant sehr hohe Temperatur kann ein gravierendes Sicherheitsproblem für angrenzende Bauelemente, für die Leiterplatte sowie für das Gerätegehäuse sein. Dieses Szenario lässt sich durch die Integration eines thermischen Übertemperaturschutzes in den drahtgewickelten Widerstand ausschließen. Sobald sich im Fehlerfall der Widerstandsdraht auf die spezifizierte Auslösetemperatur des thermischen Übertemperaturschutzes erwärmt, löst diese aus und trennt die Schaltung sicher vom Netz. Der Nennstrom und die Auslösetemperatur des thermischen Übertemperaturschutzes kann zwischen 1A 10A und von 130 C bis 260 C oder nach Kundenanforderung gewählt werden. Abb. 2: Drahtgewickelte Widerstände mit integriertem Übertemperaturschutz, in bedrahteter Ausführung sowie im mit Zement gefüllten Keramikgehäuse. Die bedrahtete Ausführung ist sowohl axial als auch radial sowie in SMD verfügbar, die Zementwiderstände sind axial sowie radial verfügbar. Für eine UL-Zertifizierung des Geräts kann es nötig sein, die Auswirkung eines permanent geöffneten Relais auf die elektrische Schaltung zu prüfen. Wird dabei in der Bypass-Schaltung

6 ein drahtgewickelter Festwiderstand mit integriertem Übertemperaturschutz verwendet, müssen keine weiteren Maßnahmen zum Schutz des Geräts ergriffen werden Ty-Ohm bietet drahtgewickelte Festwiderstände mit den Auslöseverhalten Standard, Fail Safe I und Fail-Safe II sowohl für axiale, radiale, SMD als auch für Zementwiderstände an. Abb.3: Beispiele aus dem Lieferprogramm drahtgewickelter Widerstände von Ty-Ohm, in axialer und in SMD Ausführung sowie als Zementwiderstände. Sämtliche Ausführungen sind optional mit einem integrierten Übertemperaturschutz erhältlich. Die Realisierung von hochdynamischen und Energie-effizienten elektrischen Antrieben und Umrichtern erfordert optimal bemessene Leistungswiderstände. Ty-Ohm s Produktpalette an drahtgewickelten Festwiderständen beinhaltet eine umfangreiche Auswahl an Einschaltstrombegrenzende Ladewiderstände, um präzise, schnelle, robuste und sichere Lösungen zum Laden von DC-Link Kondensatoren zu realisieren. Autor: Dieter Burger / COMPOTEC